冀中地区桃树优质高产的叶片氮磷钾临界值范围及化肥投入量

王 栋，周媛媛，郭路航，张 苗，吉庆凯，韩彦茹，孙志梅，马文奇

（河北农业大学资源与环境科学学院，河北保定 071000）

近年来，我国已经成为世界上桃树种植面积最大、总产量最高的国家[1]，但桃园单产低、桃果品质差，市场竞争力不强，导致出口量少、出口值低，严重制约了桃产业的发展[2–3]。在影响桃果产量品质的诸多因素中，养分管理至关重要[4–5]，而在我国以小农户为主的生产背景下，养分管理不规范，养分失衡问题突出[6–7]。因此，依据桃树营养状况进行营养诊断施肥尤为关键[8]。

植物营养诊断技术是通过构建衡量植株营养状况的形态、生理、生化指标进而指导施肥、优化管理的综合技术，已经得到了广泛地应用，而树相诊断、土壤诊断和植物组织营养诊断在果树上也应用较多[9]。其中，树相诊断对经验要求高，且不能提前预防指导[10]；土壤诊断则由于土壤养分指标与植株营养相关性差，也存在诸多限制[11]；而叶片对树体营养反应敏感[12]，这使得近年来以叶片营养诊断为主的植物组织营养诊断技术获得了越来越广泛的应用和发展。随着科技的进步，高新技术产品层出不穷，叶绿素仪[13]、遥感技术[14]、光谱技术[15–17]等越来越多地应用于营养诊断，也使得诊断越发便捷。

目前，已经衍生出诸多叶片诊断方法。由最初考虑叶片单一养分含量的临界浓度法、标准值法确定其最佳浓度，到基于养分平衡理论的DRIS法(诊断施肥综合法)[18]，也实现了养分需求的排序。Walworth等[19]在1986年把干物质引入了DRIS方程，进一步优化了DRIS法。但DRIS法公式复杂，应用相对繁琐。1993年Montaés等[20]引入了公式简单的DOP法(偏离最佳养分百分比法)，并对比了与DRIS法在养分需求诊断上的差异。1992年，Parent等[21]提出CND多元诊断法，综合考虑单一养分及养分间的相互作用，使得诊断精准度进一步提高。其中，DRIS法最为常用，已有研究通过DRIS公式计算得到了芒果[22]、桃树[23]、菠萝[24]、苹果[25]等果树的叶片诊断指标及养分需求顺序；DOP法因简单易行也有较多应用[26–27]，也有研究对这两种方法进行了比较分析[28]。然而，以上方法均是基于高产群体叶片养分含量的特征表现，没有真正建立叶片养分含量与产量的定量关系。近年来，边界线分析法开始探索应用于营养诊断，已有研究通过建立叶片养分含量与产量的边界线关系确定营养诊断指标[29–30]。该方法由Webb提出，可反映在不同自变量水平下因变量的最佳趋势表现，其他自变量因素对边界线上因变量值的影响可忽略不计[31–33]，常用于研究产量差的限制因素[34–36]。这一方法不需要精细的田间试验，可以利用大样本的生产数据分析产量等目标与叶片养分含量之间的关系，进而建立营养诊断指标。当样本量足够且样本间存在一定差异时，应用边界线法诊断准确度较高且在确定最佳养分含量上优势明显。目前，国内外果树的叶诊断方法较为单一，且多以产量为唯一诊断目标，很少涉及同等重要的品质指标，且桃树的相关研究更少。本研究基于小农户的生产背景，应用边界线方法建立兼顾产量、单果重和可溶性固形物含量(SSC)的桃树叶片诊断指标，为冀中桃园科学的养分管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区为冀中平原区的深州市与辛集市。深州市地处衡水市西北部，地势平坦，土壤类型以壤质潮土为主，属暖温带半干旱季风气候，四季分明，雨热同季，年日照时间、年均气温、年降水量分别为2563 h、13.4℃、486 mm，日照充足，昼夜温差大，适宜温带落叶果树生长。辛集属石家庄市，与深州市东西接壤，土壤类型以轻壤质潮土为主，属暖温带半湿润大陆性气候，年降水量为488 mm，年均气温、无霜期分别为12.5℃、206 天，气候条件优越，两地均为河北省鲜食桃果的主要产区[9]。

1.2 跟踪监测内容及方法

1.2.1 果园概况及跟踪监测项目在深州市和辛集市共8个村选定60个桃园。其中，辛集市30个桃园，主要种植早中熟品种，包括‘京红’(共6户，成熟期为6月底)、‘仓方早生’(共11户，成熟期为7月初)、‘大久保’(共6户，成熟期为7月底)及其他品种(共7户，成熟期在6月下旬至7月下旬)；深州市30个桃园(成熟期为8月下旬)，本研究所选品种均为水蜜桃晚熟品种‘深州蜜桃’。选定的桃园由农户自主生产管理，从2016年秋季桃园收获后开始，至2019年秋季桃园收获完毕，对该60个桃园开展连续3年的全生育期跟踪监测，准确记录其周年的水肥管理等生产信息。

1.2.2 样品采集与测定土壤样品采集与测定：在2017、2019年的3月初(萌芽肥施用前)和9月底(基肥施用前)分别采集60个跟踪桃园的土壤样品。采用“S”形法覆盖全园选点取样，位置选择树冠滴水线下并避开集中施肥区，取土深度为0—30 cm，每个桃园采集16个取样点土样并混合。鲜土带回实验室测定硝态氮含量，然后风干、研磨、过筛，测定土壤有效磷、速效钾等指标，测定方法用土壤农化常规分析法[37]。

植物样品采集与测定：按照全园覆盖的原则，每个桃园选定5棵长势均匀有代表性的桃树并做好标记。于盛花期(4月上旬)后60天(对应早熟桃膨果期、中晚熟桃硬核期) 在标记树上采集叶片样品，采集方法依据参考文献[38–39]，选择树冠外围中间位置的当年生枝条，距基部三分之一处(第4至第6片)完全生长的叶片，每棵桃树采集20片，每个桃园总计100片。带回实验室清洗烘干粉碎，测定叶片全氮、全磷、全钾含量，测定方法依照土壤农化分析[37]。

1.2.3 产量品质测定果实成熟后，统计标记株的株果数，采集桃树中间部位、果实大小一致并有代表性的商品果共20个。采用电子天平测定单果重，用便携式数显折射仪测定甜度，桃园产量通过密度、株果数、单果重相乘测算。

1.3 数据统计与分析方法

本研究选定产量、单果重、甜度(SSC) 3个指标来表征桃园产量、品质水平。将所有跟踪桃园产量数据的极差四等分，由最低产量依次累加作为产量的四个等级，4级最低，1级最高。单果重与SSC按照同样方法进行分级。采用边界线法建立叶片养分与产量、品质的关系，确定营养诊断指标，并构建养分供应指标与叶片养分的关系。基于边界线法叶诊断研究[22,29–30]的具体步骤如下：

1)将自变量和因变量一一对应，两列排布(X=叶片养分含量，Y=产量/单果重/SSC)；

2)按照X值升序，Y值降序重新排列；

3)第一个边界值等于Y1本身，第二个边界值通过 IF 语句即 IF (Y2 > Y1, Y2, Y1)生成；

4)当边界值达到Y值序列中的最大值时，剩余的X、Y值都按照升序再次排列；

5)从最后开始，逆向使用IF函数，由此确定剩余的所有边界值；

6)将所得的边界点按数据分布规律进行拟合，此曲线即为最佳边界线；

7)设定产量、单果重、SSC具体目标，由相应边界线方程求解确定各目标的诊断范围。

所有数据均采用 Excel 2019、SPSS 21.0等软件进行作图、方差分析和统计分析。其中，所拟合的边界线的显著水平采用P值检验，单因素方差分析的显著水平采用Duncan检验。

2 结果与分析

2.1 不同产量、品质等级桃园叶片养分含量的差异

由产量品质等级分布状况(表1)可知，该研究区域桃园产量水平较低，多处于3、4级，单果重水平高，多集中在1、2级，而甜度多集中在2、3级，水平较高。总体来说，该区域仍具有很大的增产提质潜力，尤以产量潜力更为突出。对比不同产量等级桃园的叶片养分含量可知，全氮含量没有明显差异，但变异却有很大差别，随着产量提高，标准差、变幅逐渐变小，高产桃园的叶片全氮含量分布在很窄的区间范围，该范围是3.62%～3.95%；高产桃园的叶片全磷含量处在适中水平，含量均值为0.20%，且变幅最小，为0.12%～0.29%；全钾含量均没有显著差异，但随着产量提高，全钾含量的变异逐渐减小，高产桃园叶片全钾含量的变幅为1.28%～2.41%，标准差为0.28%，分布更集中。

表1 盛花后60天不同产量、品质等级桃园叶片养分含量(%)Table 1 Leaf nutrient content of peach orchards with different yield and quality grades at 60 days after full bloom stage

按单果重划分桃园等级，不同等级桃园的叶片养分含量表现出以下特征：全氮有一定差异，随果重等级先增后减，大果桃园叶片全氮含量标准差最小，为0.32%。2、3、4等级桃园叶片的全磷含量没有显著差异，但是大果桃园叶片全磷含量显著高于其他等级，为0.23%；全钾含量在4个果重等级间有一定差异，4级桃园全钾含量显著低其他3个等级，为1.55%，但大果桃园叶片全钾含量仅为中等水平，均值为1.96%，变异最小，标准差为0.36%。

按甜度分级，叶片全氮含量随着甜度等级的提高，标准差和变幅逐渐减小，高甜度桃园叶片全氮含量分布在2.93%～4.20%这段很窄的范围，标准差为0.31%。叶片全磷、全钾含量在高甜度桃园的变幅均最小，养分集中在更窄的范围，范围分别为0.18%～0.32%和0.93%～1.71%。综上，叶片养分含量整体上与产量品质的关系呈现出较为一致的规律，质量最好的桃园叶片的养分含量虽多为中等水平，但养分含量变异小，表明果园土壤肥力和管理水平均匀一致。

2.2 桃树叶片诊断指标的建立

2.2.1 盛花期后60 天叶片养分含量与产量、品质的关系采用边界线法建立盛花期后60天叶片养分含量与产量、单果重、SSC的关系(图1)，结果发现，叶片各养分含量与产量、单果重和SSC的边界值均呈现极显著的抛物线关系。叶片养分含量在适中水平时产量、品质最优。产量最优时的叶片全氮、全磷、全钾含量分别为3.72%、0.22%、2.02%；单果重最大时的叶片全氮、全磷、全钾含量分别为3.83%、0.20%、2.01%；而当可溶性固形物含量最高时，叶片全氮、全磷、全钾的含量分别为3.70%、0.25%、2.11%。对应不同的目标，叶片养分的最佳浓度值有一定差异。

图1 盛花期后60天叶片养分含量与产量品质的关系Fig. 1 Relationship between leaf nutrient contents and yield, quality at 60 days after full bloom stage

2.2.2 叶片养分适宜的诊断范围结合生产实际，设定产量 45 t/hm2、单果重 350 g、SSC 15% 为优质高产标准，根据叶片养分含量与产量、品质的边界线关系方程(图1)可计算不同目标下叶片养分的适宜浓度范围，而三者范围取交集，可得到符合优质高产综合目标的养分适宜范围。由表2可见，当生产目标不同时，叶片养分适宜的诊断范围有一定差异，但均有同时符合三个目标的交集范围。

2.3 桃树生育前期化肥投入和土壤养分含量与叶片养分含量的关系

图2为桃树生育前期(盛花期后60天叶诊断前)化肥投入量与盛花期后60天叶片养分含量的关系。从散点图看，化肥投入差异很大，但桃园叶片全氮、全磷含量的最优边界值随着施氮、施磷量的提高先增加后稳定，而钾养分数据边界点趋势并不显著。由此可得，当前期化肥N、P2O5投入量分别达到210.2、236.3 kg/hm2时，桃园叶片全氮、全磷含量的边界值达到最高。将优质高产目标下各养分的适宜诊断范围全氮3.33%～4.09%、全磷0.17%～0.29%、全钾1.59%～2.50% (表2)代入边界线方程，即可获得叶片养分含量达到一定水平时前期养分投入的保证量 N 40.2～166.8 kg/hm2、P2O511.3～161.3 kg/hm2、速效钾 36.3～86.8 mg/kg (表 3)，即为实现优质高产目标，前期化肥养分投入一定不能低于这个范围的下限，同时不要高于范围上限。

表2 盛花期后60天高产优质果实叶片养分适宜范围Table 2 Suitable diagnostic range of leaf nutrients at 60 days after full bloom stage for producing high yield and good quality fruit

表3 生产高产优质果实需要的化肥投入保证量Table 3 Projected fertilizer input for achieving high yield and good quality peach fruits at the early stage of diagnosis (60 days after full bloom stage)

图2 化肥投入与盛花期后60天叶片养分含量的关系Fig. 2 Relationship between chemical fertilizer input and leaf nutrient contents at 60 days after full bloom stage

对土壤养分与叶片养分含量的关系进行边界线分析(图3)，结果发现，仅有钾可做出边界线模型，随着土壤速效钾含量的提高，叶片全钾呈现先增加后稳定的趋势。当速效钾含量达到110.2 mg/kg时，桃园叶片全钾含量边界值达到最大，同理可得对应产量、单果重和SSC目标的土壤速效钾含量保证范围分别是 33.5～86.8、28.5～90.7、36.3～94.6 mg/kg，而在综合目标下的范围是36.3～86.8 mg/kg，即桃园土壤速效钾含量应不低于这个下限。

图3 土壤养分含量与盛花期后60天叶片养分含量的关系Fig. 3 Relationship between soil and leaf nutrient contents at 60 days after full bloom stage

3 讨论

3.1 叶片养分含量与产量品质的关系及叶诊断的影响因素

叶片诊断是通过分析叶片养分含量来判断植株营养状况的一种方法，本质上是建立叶片养分含量与产量的关系。本研究通过对比不同生产水平等级桃园叶片养分含量的差异及用边界线分析法对此进行了验证。结果(表1)表明，按产量、单果重、SSC水平划分的不同等级桃园的叶片养分浓度大多差异不显著，但优质高产1级桃园大多叶片养分浓度居中且组内变异较小，这与二者的数据关系特征有关。由边界线关系(图1)发现，叶片养分含量与产量、品质指标边界值均呈极显著的抛物线关系，最佳养分值处于适中水平，桃园产量品质等级越高叶片养分含量分布越集中，说明要获得高产优质，叶片养分浓度一定要保持在一个居中的适宜范围，并且生产目标越高，叶片养分分布范围越窄，也表明叶片营养诊断十分必要。但从结果中也可看出，很多桃园养分浓度处于适宜范围，产量品质指标却不高，说明获得适宜的养分浓度范围只是获得优质高产的必需条件，但不是保证条件，这是应用诊断结果时需要注意的。总之，叶片养分含量指标与产量品质的关系并非一一对应，优质高产对应特定的叶片养分含量范围，要获得优质高产则叶片养分浓度需要处于该范围，但处于该范围却未必得到高产，大果目标和甜度目标的实现亦是如此。

目前，营养诊断通常只围绕产量目标，而本研究引入品质指标实现了更综合的诊断。关于产量诊断指标，本研究确定的适宜范围(表2)与李港丽等[39]建立的我国桃树叶片养分含量标准值基本一致，但会随着生产目标的调整发生改变。此外，叶诊断也受诸多因素如叶位、诊断时间、品种等的影响，考虑到叶片诊断作为一项实用技术，只有将叶片诊断采样方案标准化才能真正推动技术应用与发展，因此，如何消除这些因素的影响也是叶片诊断研究的重要方面。叶位的选择要能反映植株当年的营养状况，采集叶片时间也要保证叶片养分含量年度间的稳定性良好，年际内的变异较小[39]。关于桃树采集叶样时间，文献中多推荐盛花期后60天和120天[38–41]，本研究也证明，盛花期后60天可适用于早中晚熟多品种桃树的营养诊断，提前预测营养状况，调控树体养分。在叶位选择上，El-jendoubi等[38]选择当年生枝条距基部三分之一处叶片，李港丽等[39]选择树冠外围新梢中部的健康叶片，其他研究仅为当年生新枝[27,41]，对枝条、叶片的类型和位置无准确要求。此外，不同品种的养分吸收特征也存在差异，应该是叶片诊断考虑的因素。有研究认为，同一种植物的叶片养分含量主要受生产管理及环境条件影响，品种界限可适当放宽，并以此整合诸多文献确定桃树叶片养分含量的标准值[39]，本研究也没有进行品种区分，但获得的适宜指标范围比文献报道[39,42]的更为精细。由此可见，本研究选定的叶片诊断时间与叶位符合要求，但各种因素特别是品种对边界线方法确定叶片诊断指标的影响仍需考虑，在下阶段研究中可细化方案，进一步实现更为科学精准的桃树叶片营养诊断。

3.2 基于叶片营养诊断指标的综合调控

冀中桃园养分投入过高且偏施化肥，桃园间变异也很大[9]，所以充分发挥营养诊断的作用进行科学施肥至关重要。基于诊断结果进行纠正性施肥是营养诊断的目的，当叶片养分过剩时，后期可减少施肥量并配合一定的管理措施；叶片养分缺乏时，则通过追肥等措施及时纠正，以达到预期的生产目标。目前，叶片诊断研究多限于叶片养分含量适宜范围和树体营养状况的确定，很少依据诊断结果进行定量化纠正施肥，特别是在果树诊断方面。有研究基于苹果叶片诊断指标采用目标产量法实现了施肥量的动态调整[43]，也有通过肥料效应模型在白菜上实现了基于SPAD值氮诊断的纠正施肥[44]，但在桃树上研究较少。

理论上叶片养分含量与养分供应因素直接相关，为实现基于桃树叶片诊断的精准施肥，本研究试图建立诊断前期养分投入与盛花期后60天叶片养分含量的关系(图2)，当养分缺乏时，可通过最佳养分与实测养分含量对应的施肥量之差作为追肥推荐量来调整当前叶片养分含量。但从结果来看，数据变异大，散点分布规律性较差，特别是钾养分无法很好地建立边界线关系，这可能是由于钾肥投入多集中在生育后期，盛花期后60天诊断前钾投入量很小，无法对叶片钾含量变化产生决定性作用。由氮、磷养分关系的边界线模型可知，不施肥时叶片养分含量仍能处于较高水平，这可能是土壤肥力水平较高，基础养分供应充足的缘故。拐点前叶片养分含量的差异由养分投入决定，但拐点后仍有未达到平台值的数据点，这可能是受养分供应以外的其他因素如树体修剪、花果管理等措施的影响。其中，叶果比可调节源库关系，对叶片养分含量影响显著。有研究表明，随着叶果比增大，叶片全氮、全钾含量显著升高[45]。而土壤养分与叶片养分含量的关系(图3)也并不理想，仅有钾养分可做出边界线，这表明可能速效钾达到一定水平时，已满足树体前期营养的需求，但土壤养分水平也不能主导叶片养分含量的变化。综合这两组分析可见，叶片养分含量变化是诸多生产因素综合作用的结果，影响不同养分的主导因素可能不同，叶片全氮、全磷含量高低主要由诊断前期养分投入量决定，而叶片全钾含量则受土壤养分供应水平主导，但该研究区整体土壤养分含量和养分投入都很高，管理上也存在较大差异，可能桃树生产前期并不需要过多额外的养分投入，而这也会影响数学模型的建立及其结果的精准性，导致推荐量偏低且整体范围较宽。优质高产目标的实现并非是养分供应和叶片养分含量越充足越好，而是需要保证叶片养分含量处于适中水平、特定窄小的范围，但在多因子综合作用的果树生产中，叶片养分含量很难仅仅通过与养分供应因子间的定量关系得到精准调控，且即使叶片养分含量得以把控也只是满足了优质高产的一个必要条件，其他管理因素的作用仍不可忽略。因此，桃树优质高产综合目标的实现仅把控养分供应因素还远远不够，更需要诸多生产因素的综合调控，桃树的综合管理技术仍需进一步探索挖掘。

4 结论

按产量、单果重、可溶性固形物含量对冀中桃园进行分级，不同产量品质等级桃园叶片全氮、全磷、全钾含量及其变异存在一定差异，优质高产组桃园叶片养分含量适中且变异较小，产量品质等级越高，分布范围越窄。通过大样本生产数据分析和边界线法，优质高产综合目标下，桃树盛花后60天叶片全氮、全磷、全钾含量适宜的诊断范围分别是3.33%～4.09%、0.17%～0.29%、1.59%～2.50%。要保证叶片适宜的氮磷钾养分含量需要的氮肥和磷肥投入量分别为 N 40.2～166.8 kg/hm2、P2O511.3～161.3 kg/hm2，土壤速效钾含量则需要达到36.3～86.8 mg/kg。